方形鋰離子電池系統(tǒng)熱失控擴展特性

0 前言

新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線明晰，市場空間廣闊，對促進(jìn)實體經(jīng)濟、擴張戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、擴大居民消費、推動綠色低碳發(fā)展等諸多任務(wù)目標(biāo)起到牽引和協(xié)同的作用，受到了各級政府、資本市場和產(chǎn)業(yè)主體的高度關(guān)注，匯集了大量的資源和要素。2015年以來，我國新能源汽車市場規(guī)模保持了60%左右的年均增速。2021年中國新能源汽車成為汽車行業(yè)最大亮點，連續(xù)7年銷量全球第一。截至2021年底，全國新能源汽車保有量達(dá)784萬輛，占汽車總量的2.6%。未來新能源汽車還將在中長期作為整個汽車市場增長的支撐因素和重要增長點持續(xù)存在，按照《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，到2025年我國新能源汽車年銷量預(yù)計為530萬輛，新能源汽車保有量將達(dá)2 000萬輛。

然而，隨著我國新能源汽車保有量日趨增高，由此帶來的車輛自燃、電池性能衰減、車輛充電故障等汽車安全問題已不容忽視。截至2021年底，我國已累計召回新能源汽車229次，涉及198萬輛。僅2021年，國內(nèi)新能源汽車?yán)塾嬚倩?59 241輛，同比暴增1 103.99%，占召回總量6.4%，其中因動力電池缺陷而召回的新能源車型，涉及多個汽車品牌，召回數(shù)量共計73 743輛。電芯熱失控是動力電池故障的主要原因之一，因此通過采集特征參數(shù)，研究電芯熱失控及在模組范圍內(nèi)熱擴展的特性至關(guān)重要

。

目前，鋰電池電芯封裝形式主要有方形、圓柱和軟包三種，不同的封裝結(jié)構(gòu)具有不同的特性，近些年國內(nèi)外學(xué)者對不同封裝形式的電池?zé)崾Э匦袨檫M(jìn)行了較多研究

。方形鋰電池通常是以鋁或鋼作為外殼材料，因其具有高封裝可靠度、系統(tǒng)高能量效率、高能量密度等優(yōu)點，在國內(nèi)具有更為廣泛的市場應(yīng)用空間，因此，本文以采用三元材料（NCM523）的方形電芯構(gòu)成的動力電池系統(tǒng)作為研究對象，選擇加熱作為熱失控觸發(fā)方式，通過采集不同位置的溫度、電壓等特征參數(shù)，分析研究熱失控發(fā)生及擴展特性，以期為動力電池系統(tǒng)監(jiān)控及保護策略設(shè)置奠定基礎(chǔ)。

1 試驗對象與方法

1.1 試驗對象

本文試驗對象為149×27×92 mm方形電芯組成的電池系統(tǒng)，額定容量為80Ah，試驗前電池系統(tǒng)的SOC為95%，其主要信息參數(shù)如表1所示。

電池系統(tǒng)內(nèi)部模組串接編序、模組溫度采樣點位置的實物圖見圖1，示意圖見圖2。自電池系統(tǒng)的總負(fù)極至總正極的模組編號依次為M1-M6，電編號依次為C1-1、C1-2到C24-1、C24-2，在水平面上呈兩排并行分布，其對應(yīng)的電壓編號分別為V1-V24。單節(jié)電芯的正、負(fù)極通過銅鎳復(fù)合板并聯(lián)成組，電壓采集點布置于各電芯組的極耳連接處，模組之間無隔熱防護材料。觸發(fā)電芯為電池系統(tǒng)右側(cè)中間位置的C5-1電芯，在C5-1電芯所在的模組M2（包含C5-1、C5-2到C8-1、C8-2總計8個電芯）的各電芯側(cè)平面中間位置額外布置溫度采樣點，編號為T32-T25。T33為加熱片溫度采樣點，空間上T32-T25距離T33為由近及遠(yuǎn)。

2)監(jiān)測點溫度達(dá)到規(guī)定的最高工作溫度。

1.2 試驗方法

本文選用加熱的方式作為熱失控觸發(fā)方式，將加熱膜布置于C5-1電芯的側(cè)平面。GB38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》附錄C中的加熱裝置功率要求如表2所示，當(dāng)觸發(fā)對象電能E＜100 Wh，加熱裝置最大功率選擇范圍為30～300 W

。為便于觀測熱失控過程前后的參數(shù)變化情況，選取加熱裝置的最大功率為300 W。為觀察熱失控后引發(fā)熱擴展情況，試驗前打開電池系統(tǒng)上蓋板；設(shè)置溫度、電壓采樣頻率為1 Hz，開始記錄時間為15:02:08，電芯加熱起始時間為15:02:28。觸發(fā)電芯熱失控的判斷條件如下：

在前期研究基礎(chǔ)上[21-23]，本研究以天然菱鎂礦為原料制備重鎂水溶液，并以此為前驅(qū)溶液，利用熱分解法制備晶須，主要考察熱分解時間、重鎂水溶液濃度和攪拌速率對晶體組成和形貌的影響，并分析了結(jié)晶動力學(xué)過程。

2.4 高層次創(chuàng)新型文化人才缺乏。大部分民族地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對吸引文化人才的載體不足、機制不健全、引進(jìn)和留住人才的經(jīng)費投入不 足等各方面原因影響，導(dǎo)致了對文化高層次人才的吸附、承載作用偏低。因此，外地人才流進(jìn)來比較少，本地高素質(zhì)人才外流相對較多。另外，存在人才使用上專業(yè)不對口，人才崗位與所學(xué)專業(yè)不匹配等問題，創(chuàng)新度低，人才配置不符或浪費嚴(yán)重。

對醫(yī)藥類院校在省域中的排名情況進(jìn)行統(tǒng)計，僅有1所高校(寧夏醫(yī)科大學(xué))在省排名中位居第1，占醫(yī)藥類評價高?？倲?shù)的1.64%(1/61)；18所高校在各自的省排名中位居前5名，占醫(yī)藥類評價高校總數(shù)的29.51%(18/61)；37所高校在各自的省排名中位居前10名，占醫(yī)藥類評價高校總數(shù)的60.66%(37/61)；詳見圖2。整體上，在省排名中表現(xiàn)領(lǐng)先的醫(yī)藥類院校數(shù)量相對較少，醫(yī)藥類院校在省域高校中的綜合競爭力水平并不突出。

吸附法使用的吸收劑應(yīng)具有較大的吸附容量和均勻的吸附孔徑，且易再生。吸附劑一般可分為無機和有機吸附劑兩類，實際應(yīng)用中無機吸附劑更為普遍。目前報道的VOCs吸附劑主要包括：活性炭、分子篩、活性炭纖維、有機吸附劑等幾大類[6]。

基于相鄰電芯的采樣數(shù)據(jù)，在觸發(fā)電芯熱失控后，鄰近電芯V6、V7、V8的電壓-時間曲線如圖7所示。V6、V7、V8的電壓分別在熱失控發(fā)生后58 s、178 s、305 s降至0 V；并且V6從4V降至0V經(jīng)過12 s，V7從4V降至0V經(jīng)過14 s，V8從4V降至0V經(jīng)過68 s。這與V6、V7、V8距離觸發(fā)電芯V5的位置遠(yuǎn)近有一定的對應(yīng)關(guān)系，說明熱失控由V5位置處逐漸向外擴散。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗進(jìn)程

試驗進(jìn)程中各關(guān)鍵事件發(fā)生時間節(jié)點與實物照片如圖3所示。

由圖3可知，對電芯開始加熱前20 s打開溫度、電壓采樣記錄儀，加熱開始后1 874 s出現(xiàn)迸發(fā)火焰，電芯熱失控后迅速誘發(fā)電池系統(tǒng)起火，隨著熱失控擴展不斷有新的電芯發(fā)生熱失控并形成火勢迅速蔓延，伴隨火焰迸濺火勢不斷增大，且有大量黑色煙霧冒出，逐漸充滿整個電池系統(tǒng)并持續(xù)燃燒，火焰高度約為1.5 m，溫度最高超過1 200℃，881 s后開始沉水滅火，過程中火焰熄滅后又發(fā)生復(fù)燃5次，最終火焰完全熄滅后有大量水泡，表明電池在繼續(xù)釋放氣體。

2.2 被加熱電芯采樣特征分析

基于電芯層面的采樣數(shù)據(jù)，選取自采樣開始后1~1 950 s階段、1 760~1 950 s階段，對觸發(fā)電芯進(jìn)行分析，其溫度、電壓及溫升速率-時間曲線如圖4、圖5、圖6所示。

由圖4、圖5、圖6可知：

1）自采樣開始到加熱開始中間有20 s，此為前置時間。加熱開始后第50 s，觸發(fā)電芯（C5-1）側(cè)面的加熱膜溫度信號T33達(dá)到該電池系統(tǒng)的最高工作溫度55℃；第918 s觸發(fā)電芯的另一側(cè)面溫度信號T32達(dá)到55℃；第1 760 s，觸發(fā)電芯的電壓值V5由4.04 V驟降至0 V，此時T33已達(dá)到320.6℃，T32已達(dá)到99.8℃。

3)監(jiān)測點的溫升速率dT/dt≥1 °C/s，且持續(xù)3 s以上。

熱失控擴散過程中電芯電壓出現(xiàn)的波動，其原因除電芯內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)以外，還可能是因為模組內(nèi)完全熱失控并非一蹴而就，未完全失控電芯為平衡電壓變化，對電壓變低的電芯進(jìn)行了補電。當(dāng)整個模組完全熱失控時，V6、V7、V8的電壓才趨穩(wěn)于0 V。

本次研究患者腸內(nèi)營養(yǎng)采用百普力(生產(chǎn)廠家:紐迪希亞制藥(無錫)有限公司,國藥準(zhǔn)字:H20010285),腸外營養(yǎng)配方為:非蛋白熱量50%,糖類50%,熱氮比為100:1,其中脂肪乳劑為20%力能,含1:1的中長鏈脂肪乳。

3）在觸發(fā)熱失控之前，T33的溫升速率較T32更高，T33的溫度-時間曲線呈波浪式攀升，T32的溫度-時間曲線較為勻速地上升。而在熱失控之后，T32的溫升速率急劇攀升超過T33，這可能是因為觸發(fā)電芯熱失控瞬間，火焰迸發(fā)的位置更貼近T32處，使得T32的溫度在短時間迅速上升，具體為55 s內(nèi)由145.8℃上升至738.7℃，最大溫升速率達(dá)到了90.1℃/s。

2.3 相鄰電芯采樣特征分析

當(dāng)1)和3)或2)和3)發(fā)生時，判定發(fā)生單體熱失控。

2）加熱開始后第1 873~1 875 s，T33和T32的溫升速率dT/dt連續(xù)3 s大于1℃/s，分別為2.4℃/s、1.9℃/s、1.5℃/s，2.5℃/s、12.2℃/s、22.9℃/s，觸發(fā)熱失控判斷條件。因此，加熱開始后第1 875 s（即自采樣開始第1 895 s）可認(rèn)為是熱失控發(fā)生起點，該點的T33溫度值為334.4℃，T32溫度值為145.8℃。

為保護機組不超壓,防喘振控制系統(tǒng)設(shè)置了一條出口壓力上限安全線（PAH），當(dāng)壓力到達(dá)安全線（PAH）時,旁路閥快速打開，限制出口壓力，同時DCS上將旁路閥閥開度鎖定在100%上，入口導(dǎo)流葉片閥開度鎖定在0%上，壓縮機卸載。

T25、T26、T27、T28、T29、T30、T31的溫度-時間曲線如圖8所示。電芯采樣點T31、T30、T29、T28、T27、T26、T25，在溫度上升的階段表現(xiàn)上有著較為明顯的時間先后特征，分別在第1 945 s、1 982 s、2 063 s、2 098 s、2 134 s、2 152 s、2 241 s達(dá)到了400℃以上，總體符合各溫度采樣點在物理空間上的分布，T32距離觸發(fā)點T33最近，因此受熱輻射距離最短，溫升也最快。

T25、T26、T27、T28、T29、T30、T31的溫升速率-時間曲線如圖9所示。當(dāng)?shù)? 895 s熱失控發(fā)生時，T31、T30、T29、T28、T27、T26、T25分別為66.9℃、44.5℃、34.8℃、31.9℃、31℃、30.4℃、30.6℃，此時T31的溫度雖然已超出該電池系統(tǒng)的最高工作溫度要求，采樣溫度特征已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中電芯熱失控的判斷條件，但溫升速率并沒有較大突變，可以判斷觸發(fā)電芯熱失控時并未有新的電芯繼續(xù)發(fā)生熱失控。

1)觸發(fā)單體產(chǎn)生電壓降，且下降值超過初始電壓的25%。

當(dāng)?shù)? 908 s、1 909 s、1 910 s時，T31的溫升速率分別達(dá)到1℃/s、1.1℃/s、1.1℃/s，因此，可判斷為C5-2電芯也觸發(fā)了熱失控。從C5-1電芯發(fā)生熱失控至其相鄰最近的C5-2電芯發(fā)生熱失控，其傳導(dǎo)時間為15 s，說明熱失控的擴展過程時間較為短暫。在C5-2觸發(fā)熱失控后又分別經(jīng)過27 s、45 s，C6組電芯、C7組電芯分別觸發(fā)熱失控，這說明鄰近電芯由于受到熱失控電芯的熱傳導(dǎo)影響，依據(jù)距離遠(yuǎn)近相繼觸發(fā)了自身的熱失控，為典型的熱失控擴展現(xiàn)象。

C8組電芯比較特殊，其在C5-2電芯發(fā)生熱失控后的25 s就觸發(fā)熱失控，這可能是由于觸發(fā)電芯發(fā)生熱失控產(chǎn)生火焰時內(nèi)部高溫飛濺物噴射等因素，造成相距較遠(yuǎn)的C8組電芯更早觸發(fā)熱失控，說明當(dāng)熱失控伴隨火焰產(chǎn)生時，由于燃燒的不穩(wěn)定性，存在距離較遠(yuǎn)的電芯被更早觸發(fā)熱失控的可能。

3 總結(jié)

本文通過試驗的方式，對方形鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行熱失控擴展分析，研究結(jié)論如下：

建筑企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視對新技術(shù)的學(xué)習(xí)和運用，通過提升原有的操作技能，達(dá)到減小施工現(xiàn)場對大氣的污染程度。例如改善鋼筋的連接方式，對墻體的鉆孔實施有效的防治措施，采用密封運輸建筑垃圾等等，都是可以通過改善施工工藝技能而降低揚塵污染的方式。

1）由電芯熱失控誘發(fā)熱擴展過程較為短暫。本案例中自觸發(fā)電芯發(fā)生熱失控后約15 s的時間就引發(fā)第二節(jié)電芯熱失控，305 s后整個模組（2并4串）電壓降為0 V。因此在電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)計加裝耐溫防爆性材料，延緩熱擴散過程。

2）電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控并伴隨燃燒產(chǎn)生時，一方面由于熱傳導(dǎo)影響，會依據(jù)距離遠(yuǎn)近相繼觸發(fā)更多電芯的熱失控，此為典型的熱失控擴展現(xiàn)象。另一方面由于燃燒的不穩(wěn)定性、高溫飛濺物噴射等影響，存在距離較遠(yuǎn)的電芯被更早觸發(fā)熱失控的可能。

3）電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控瞬間，伴隨煙氣、火焰產(chǎn)生。觸發(fā)電芯所屬模組的溫度最高超過1 200℃，火焰高度約為1.5 m，采用噴淋滅火的處理方式，發(fā)生復(fù)燃5次，完全熄滅后仍有氣體釋放。因此，在面對已經(jīng)發(fā)生熱失控的電池包時，需穿備好防毒面罩、防火衣、絕緣鞋等系列防護措施，方可實施近距離救援。

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